Прорыв в квантовой химии и суперкомпьютерах для разработки лекарств
Исследовательская группа под руководством теоретика и эксперта по высокопроизводительным вычислениям (HPC) из Мельбурнского университета доцента Джузеппе Барка впервые провела квантовое моделирование биологических систем в масштабе, необходимом для точного прогнозирования действия лекарств.
Используя беспрецедентную экзафлопсную мощность суперкомпьютера Frontier в Национальной лаборатории Ок-Ридж (США), команда разработала революционное программное обеспечение. Оно способно точно предсказывать химические реакции и физические свойства молекулярных систем, включающих до сотен тысяч атомов, устанавливая новый стандарт в вычислительной химии.
В проекте объединились эксперты в области химии, разработки лекарств, квантовой механики и суперкомпьютеров из Национальной лаборатории Ок-Ридж, компании AMD и стартапа QDX.
Этот результат более чем четырёхлетней работы впервые позволяет изучать биомолекулярные системы с квантовой точностью. Новая возможность моделирования позволяет наблюдать и понимать эти системы в беспрецедентных деталях, что критически важно для оценки традиционных лекарств и разработки новых терапевтических средств.
«Этот прорыв позволяет нам моделировать поведение лекарств с точностью, сопоставимой с физическими экспериментами. Теперь мы можем наблюдать не только движение лекарства, но и его квантово-механические свойства, такие как разрыв и образование связей, в биологической системе с течением времени», — сказал доцент Барка.
Сегодня более 80% болезнетворных белков не поддаются лечению существующими препаратами, и только 2% эффективно взаимодействуют с известными лекарствами, что демонстрирует ограниченность текущих методов.
Передовая квантовая механика и HPC расширяют вычислительный инструментарий для открытия лекарств, обеспечивая беспрецедентные скорость и точность на биологически релевантном масштабе. Это открывает новые способы воздействия на терапевтические мишени и увеличивает количество заболеваний, для которых могут быть найдены эффективные методы лечения.
Моделирование вычисляет аффинность молекулы лекарства к конкретной мишени (например, генетически мутировавшему белку). Алгоритмы рассчитывают эффективность лекарства, оценивая силу связи между ним и мишенью, что демонстрирует потентность препарата. Для эффективного тестирования лекарства с помощью квантового моделирования биологическая модель должна включать тысячи атомов.
«Именно для решения таких крупных и сложных проблем общества мы создавали Frontier. Преодолев барьер экзафлопсных вычислений, эти симуляции открывают совершенно новый мир возможностей», — отметил Дмитрий Быков, вычислительный химик из лаборатории Ок-Ридж.
Доктор Якуб Курзак из AMD заявил, что компания гордится тем, что её технологии HPC обеспечивают прорывную науку в медицинских исследованиях.
Сооснователь и CEO QDX Лун Ван подчеркнул, что передовые квантовые симуляции компании устанавливают новый стандарт точности на биологически значимом масштабе, что может ускорить и удешевить разработку лекарств, в том числе для ранее неизлечимых болезней.
Доцент Барка, вошедший в список 250 лучших исследователей Австралии по версии The Australian (2024), в 2023 году стал сооснователем компании QDX. Компания уже использует высокопроизводительные квантовые симуляции для ускорения разработки новых терапевтических средств и заключила коммерческие сделки с фармацевтическими компаниями и стартапами в Австралии, Сингапуре и США.
«Благодаря новым вычислительным и программным возможностям мы можем достичь прогнозной точности, близкой к экспериментальным результатам. Эти расчёты были совершенно неосуществимы всего несколько лет назад», — заключил доцент Барка.